特許 7438077 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-15

(45)【発行日】2024-02-26

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/407 20060101AFI20240216BHJP

【ＦＩ】

G01N27/407

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020169534

(22)【出願日】2020-10-07

(65)【公開番号】P2022061554

(43)【公開日】2022-04-19

【審査請求日】2023-03-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【氏名又は名称】下田 昭

(72)【発明者】

【氏名】中島 崇史

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２９２１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第４８５９１２３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００７５２５３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４０６－２７／４１３

Ｇ０１Ｎ ２７／４１７－２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線方向に延びるセンサ素子と、
前記センサ素子の先端部が自身の先端よりも突出し、前記センサ素子の後端部が自身の後端よりも突出するように当該センサ素子を支持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部の外側に装着されると共に、前記センサ素子の先端部を覆う筒状のプロテクタと、
前記主体金具の後端部の外側に装着されると共に、前記センサ素子の後端部を覆う筒状の外筒と、
を備えるガスセンサにおいて、
前記主体金具と前記プロテクタとの装着部の第１合わせ目、及び前記主体金具と前記外筒との装着部の第２合わせ目に油剤が付着されており、該油剤の付着量が０．１ｍｇ未満であることを特徴とするガスセンサ。

【請求項2】

前記外筒の内径は前記プロテクタの内径よりも大径であり、
前記第２合わせ目の前記油剤の付着量が、前記第１合わせ目の前記油剤の付着量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記油剤の付着量が０．０５ｍｇ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ素子を備えたガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、自動車等の内燃機関に用いるガスセンサにおいて、軸線方向に延びるセンサ素子を備える酸素センサが知られている。この酸素センサは、センサ素子の先端部を突出させるようにしてセンサ素子を保持する主体金具と、主体金具の先端部に装着される筒状金属製のプロテクタと、主体金具の後端部に装着される筒状金属製の外筒とを有している。
この主体金具、プロテクタ及び外筒を構成する金属部品は、金属材料を塑性加工、切削加工や研削加工して製造され、加工時の潤滑や冷却のために潤滑油剤、切削油剤や研削油剤のような油剤を金属材料に付着させる。
そして、金属材料に付着した油剤は、次のガスセンサの組立工程（例えば、主体金具のかしめ工程やプロテクタと主体金具の装着工程等）にて同様に潤滑や冷却のために、金属材料にそのまま残留させている。但し、残留油剤の量がその後の工程にとって多過ぎる又は少な過ぎるときは、残留油剤の一部を洗い落とし、又は、残留油剤にそれと同じ油剤を付加し、油剤の付着量を後工程に適した量に増減する。

【0003】

一方、ガスセンサの組立工程後、プロテクタや主体金具に油剤を残留させたままガスセンサを排気管に取り付けて使用に供した場合、プロテクタの内周面や主体金具内周面の残留した油剤がガス化し、プロテクタ内にそのガスが染み出すことで、プロテクタ内の被測定ガスと混ざり合い、ガス検出精度が低下する虞がある。そこで、プロテクタ内周面や主体金具内周面に付着した油剤の量を０．７ｍｇ未満に規制し、ガス検出精度の低下を抑制する技術が開示されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第４８５９１２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ガスセンサの組立工程にて、主体金具の後端部に外筒を嵌合する際、及び主体金具の先端部にプロテクタを嵌合する際には、適量の油剤により嵌合時の荷重を低減することが好ましい。又、油剤が介在すれば、例えば主体金具に対して外筒が斜めに嵌合されても滑りが向上して外筒の向きを修正することができる。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、主体金具の先後端にそれぞれプロテクタ及び外筒を容易に装着でき、生産性が向上したガスセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、軸線方向に延びるセンサ素子と、前記センサ素子の先端部が自身の先端よりも突出し、前記センサ素子の後端部が自身の後端よりも突出するように当該センサ素子を支持する筒状の主体金具と、前記主体金具の先端部の外側に装着されると共に、前記センサ素子の先端部を覆う筒状のプロテクタと、前記主体金具の後端部の外側に装着されると共に、前記センサ素子の後端部を覆う筒状の外筒と、を備えるガスセンサにおいて、前記主体金具と前記プロテクタとの装着部の第１合わせ目、及び前記主体金具と前記外筒との装着部の第２合わせ目に油剤が付着されており、該油剤の付着量が０．１ｍｇ未満であることを特徴とする。

【0007】

このガスセンサによれば、油剤が残留した状態で、プロテクタの内面を主体金具の外面に外嵌し、同様に外筒の内面を主体金具の外面に外嵌すると、油剤により嵌合時の荷重を低減することができる。又、油剤が介在することで、主体金具に対してプロテクタや外筒が斜めに嵌合されても滑りが向上してプロテクタや外筒の軸線方向の向きを修正することができる。
このようにして、主体金具の先後端にそれぞれプロテクタ及び外筒を容易に装着でき、生産性が向上する。
そして、主体金具の先後端にそれぞれプロテクタ及び外筒を装着してガスセンサを組み付けた後、全体を熱処理して余分な油剤を除去するが、第１合わせ目，第２合わせ目の油剤は完全に除去し難い。
そこで、最終製品であるガスセンサにおける第１合わせ目，第２合わせ目の油剤の付着量が０．１ｍｇ未満であれば、油剤が残留してもセンサの測定精度の低下等を抑制できる。

【0008】

本発明のガスセンサにおいて、前記外筒の内径は前記プロテクタの内径よりも大径であり、前記第２合わせ目の前記油剤の付着量が、前記第１合わせ目の前記油剤の付着量よりも多くてもよい。
外筒の内径がプロテクタの内径よりも大径であると、主体金具への装着（嵌合）時の荷重も大きくなるので、油剤の付着量がより多いと嵌合時の荷重をさらに低減することができる。
本発明のガスセンサにおいて、前記油剤の付着量が０．０５ｍｇ以上であってもよい。

【発明の効果】

【0009】

この発明によれば、主体金具の先後端にそれぞれプロテクタ及び外筒を容易に装着でき、生産性が向上したガスセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態にかかるガスセンサの断面図である。

【図2】主体金具に、プロテクタを外嵌して第１合わせ目を形成する態様を示す図である。

【図3】主体金具に、外筒を外嵌して第２合わせ目を形成する態様を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の実施形態について、図１～図３に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるガスセンサ１の断面図、図２は主体金具１１にプロテクタ５０を外嵌して第１合わせ目Ｊ１を形成する態様を示す図、図３は主体金具１１に外筒８１を外嵌して第２合わせ目Ｊ２を形成する態様を示す図である。

【0012】

図１において、ガスセンサ（酸素センサ）１は、センサ素子２１と、軸線Ｏ方向に貫通してセンサ素子２１を挿通させる貫通孔３２を有するホルダ（セラミックホルダ）３０と、セラミックホルダ３０の径方向周囲を取り囲む主体金具１１と、を備えている。
センサ素子２１のうち、検知部２２が形成された先端寄り部位が、セラミックホルダ３０及び主体金具１１より先端に突出している。このように貫通孔３２を通されたセンサ素子２１は、セラミックホルダ３０の後端面側（図示上側）に配置されたシール材（本例では滑石）４１を、絶縁材からなるスリーブ４３、リングワッシャ４５を介して先後方向に圧縮することによって、主体金具１１の内側において先後方向に気密を保持して固定されている。

【0013】

なお、センサ素子２１の後端２１ｅを含む後端寄り部位はスリーブ４３及び主体金具１１より後方に突出しており、その後端寄り部位に形成された各電極パッド部１３～１７に、シール材８５を通して外部に引き出された各リード線７１の先端に設けられた端子金具７５が圧接され、電気的に接続されている。また、この電極パッド部１３～１７を含むセンサ素子２１の後端寄り部位は、外筒８１でカバーされている。以下、さらに詳細に説明する。

【0014】

センサ素子２１は軸線Ｏ方向に延びると共に、測定対象に向けられる先端側（図示下側）に、被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検知部２２を備えた帯板状（板状）をなしている。センサ素子２１の横断面は、先後において一定の大きさの長方形（矩形）をなし、セラミック（固体電解質等）を主体として細長いものとして形成されている。
このセンサ素子２１は、固体電解質（部材）の先端寄り部位に検知部２２が配置され、後端寄り部位には、電極パッド部１３～１７が露出形成されている。
さらに、センサ素子２１の検知部２２に、アルミナ又はスピネル等からなる多孔質の保護層２３が被覆されている。

【0015】

主体金具１１は、先後において同心異径の筒状をなし、先端側が小径で、後述する内側プロテクタ５１を外嵌して固定するための円筒状の円環状部（以下、円筒部ともいう）１２を有し、その後方（図示上方）の外周面には、それより大径をなす、エンジンの排気管への固定用のネジ３３が設けられている。そして、その後方には、このネジ３３によってセンサ１をねじ込むための多角形部１４を備えている。また、この多角形部１４の後方には、ガスセンサ１の後方をカバーする保護筒（外筒）８１を外嵌して溶接する円筒部１１ｅが連設され、その後方には外径がそれより小さく薄肉のカシメ用円筒部３６を備えている。なお、このカシメ用円筒部３６は、図１では、カシメ後のために内側に曲げられている。なお、多角形部１４の下面には、ねじ込み時におけるシール用のガスケット１９が取着されている。
一方、主体金具１１は、軸線Ｏ方向に貫通する内孔１８を有している。内孔１８の内周面は後端側から先端側に向かって径方向内側に先細るテーパ状の段部１１ｄを有している。

【0016】

主体金具１１の内側には、絶縁性セラミック（例えばアルミナ）からなり、概略短円筒状に形成されたセラミックホルダ３０が配置されている。セラミックホルダ３０は、先端に向かって先細りのテーパ状に形成された先端向き面３０ａを有している。そして、先端向き面３０ａの外周寄りの部位が段部１１ｄに係止されつつ、セラミックホルダ３０が後端側からシール材４１で押圧されることで主体金具１１内にセラミックホルダ３０が位置決めされ、かつ隙間嵌めされている。
一方、貫通孔３２は、セラミックホルダ３０の中心に設けられると共に、センサ素子２１が略隙間なく通るように、センサ素子２１の横断面とほぼ同一の寸法の矩形の開口とされている。

【0017】

センサ素子２１は、セラミックホルダ３０の貫通孔３２に通され、センサ素子２１の先端をセラミックホルダ３０及び主体金具１１の先端１２ａよりも先方に突出させている。
一方、センサ素子２１の先端部位は、本形態では、２層構造からなり、共にそれぞれ通気孔（穴）５６、６７を有する有底円筒状のプロテクタ（保護カバー）５０で覆われている。プロテクタ５０は、内側プロテクタ５１と、内側プロテクタ５１に外嵌された外側プロテクタ６１とからなり、このうち内側プロテクタ５１の後端が、主体金具１１の円筒部１２に外嵌され、溶接されている。なお、通気孔５６はプロテクタ５１の後端側で周方向において例えば８箇所設けられている。一方プロテクタ５１の先端側にも、周方向において例えば４箇所、排出穴５３が設けられている。
また、外側プロテクタ６１は、内側プロテクタ５１に外嵌して一体のプロテクタ５０となり、プロテクタ５０の後端部５０ｅが円筒部１２に溶接されている。外側プロテクタ６１の通気孔６７は、先端寄り部位に、周方向において例えば８箇所設けられており、また、プロテクタ６１先端の底部中央にも排出孔６９が設けられている。

【0018】

又、図１に示すように、センサ素子２１の後端寄り部位に形成された各電極パッド部１３～１７には、外部にシール材８５を通して引き出された各リード線７１の先端に設けられた各端子金具７５がそのバネ性により圧接され、電気的に接続されている。そして、この圧接部を含む各端子金具７５は、本例ガスセンサ１では、外筒８１内に配置された絶縁性のセパレータ９１内に設けられた各収容部内に、それぞれ対向配置で設けられている。なお、セパレータ９１は、外筒８１内にカシメ固定された保持部材８２を介して径方向及び先端側への動きが規制されている。そして、この外筒８１の先端部を、主体金具１１の後端寄り部位の円筒部１１ｅに外嵌して溶接することで、ガスセンサ１の後方が気密状にカバーされている。
なお、リード線７１は外筒８１の後端部の内側に配置されたシール材（例えばゴム）８５を通されて外部に引き出されており、外筒８１の小径筒部８３を縮径カシメしてこのシール材８５を圧縮することにより、この部位の気密が保持されている。

【0019】

因みに、外筒８１の軸線Ｏ方向の中央よりやや後端側には、先端側が径大の段部８１ｄが形成され、この段部８１ｄの内面がセパレータ９１の後端を先方に押すように支持する。一方、セパレータ９１はその外周に形成されたフランジ９３を外筒８１の内側に固定された保持部材８２の上に支持させられており、段部８１ｄと保持部材８２とによってセパレータ９１が軸線Ｏ方向に保持されている。

【0020】

そして、本発明の特徴部分として、主体金具１１の円環状部１２とプロテクタ５０との装着部（溶接部）の第１合わせ目Ｊ１、及び主体金具１１の円筒部１１ｅと外筒８１との装着部（溶接部）の第２合わせ目Ｊ２にそれぞれ油剤が付着されており、該油剤のＪ１，Ｊ２における付着量がそれぞれ０．１ｍｇ未満である。

【0021】

次に、図２～図３を参照し、合わせ目Ｊ１，Ｊ２における油剤の付着量の規定理由について説明する。
図２は、主体金具１１の円環状部１２に、プロテクタ５０の後端部５１ｅの内面５１ｉを外嵌して第１合わせ目Ｊ１（図１）を形成する態様を示す。なお、図２の例では、主体金具１１にセンサ素子２１を保持した第１アセンブリ２１ＡＸに、プロテクタ５０の内面５１ｉを外嵌している。
ここで、円環状部１２の外面、及びプロテクタ５０の内面５１ｉには、それぞれ所定量の油剤Ｗが残留している。この油剤Ｗは、主体金具１１やプロテクタ５０を加工して製造する際の潤滑油剤、切削油剤や研削油剤などに由来する。

【0022】

同様に、図３は、主体金具１１の円筒部１１ｅに、外筒８１の内面８１ｉを外嵌して第２合わせ目Ｊ２（図１）を形成する態様を示す。なお、図３の例では、図２で第１アセンブリ２１ＡＸにプロテクタ５０を保持して作製した素子アセンブリ２１Ａに、外筒８１の内部にセパレータ９１、端子金具７５、シール材８５等を組み付けた外筒アセンブリ８１Ａを外嵌している。
ここで、円筒部１１ｅの外面、及び外筒８１の内面８１ｉには、それぞれ所定量の油剤Ｗが残留している。この油剤Ｗは、主体金具１１や外筒８１を加工して製造する際の潤滑油剤、切削油剤や研削油剤などに由来する。

【0023】

そして、油剤Ｗが残留した状態で、プロテクタ５０の内面５１ｉを円環状部１２の外面に外嵌し、同様に外筒８１の内面８１ｉを円筒部１１ｅの外面に外嵌すると、油剤Ｗにより嵌合時の荷重を低減することができる。又、油剤Ｗが介在することで、主体金具１１に対してプロテクタ５０や外筒８１が斜めに嵌合されても滑りが向上してプロテクタ５０や外筒８１の軸線Ｏ方向の向きを修正することができる。
このようにして、主体金具１１の先後端にそれぞれプロテクタ５０及び外筒８１を容易に装着でき、生産性が向上する。

【0024】

そして、主体金具１１の先後端にそれぞれプロテクタ５０及び外筒８１を装着してガスセンサ１を組み付けた後、全体を熱処理して余分な油剤を除去するが、第１合わせ目Ｊ１，第２合わせ目Ｊ２の油剤は完全に除去し難い。
そこで、最終製品であるガスセンサ１における第１合わせ目Ｊ１，第２合わせ目Ｊ２の油剤の付着量が０．１ｍｇ未満であれば、油剤が残留してもセンサの測定精度の低下等を抑制できる。

【0025】

第１合わせ目Ｊ１，第２合わせ目Ｊ２の油剤の付着量は、例えば顕微赤外分光法で測定できる。具体的には、例えば最終製品であるガスセンサ１から第１合わせ目Ｊ１，第２合わせ目Ｊ２を切り出した部位を水中に浸漬して油分を抽出し、この水溶液を測定することができる。測定器としては、堀場製作所製の油分濃度計OCMA-555-Hが例示できる。

【0026】

なお、外筒８１の内径はプロテクタ５０（内側プロテクタ５１）の内径よりも大径である場合、第２合わせ目Ｊ２の油剤の付着量が、第１合わせ目Ｊ１の前記油剤の付着量よりも多いことが好ましい。
外筒８１の内径がプロテクタ５０（内側プロテクタ５１）の内径よりも大径であると、主体金具１１への装着（嵌合）時の荷重も大きくなるので、油剤の付着量がより多いと嵌合時の荷重をさらに低減することができる。

【0027】

なお、第１合わせ目Ｊ１、第２合わせ目Ｊ２における油剤の付着量は、先述した測定方法にて検出可能な量が付着していれば良いが、０．０５ｍｇ以上付着していると、より一層プロテクタ及び外筒を容易に装着することができるため、好ましい。

【0028】

本発明のガスセンサは、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜にその構造、構成を設計変更して具体化できる。
センサ素子としては、板状素子に限らず、筒状素子を用いてもよい。プロテクタも二重プロテクタに限定されない。

【符号の説明】

【0029】

１ ガスセンサ
１１ 主体金具
１１ｅ 主体金具の後端部（円筒部）
１２ 主体金具の先端部（円環状部）
２１ センサ素子
５０ プロテクタ
８１ 外筒
Ｊ１ 第１合わせ目
Ｊ２ 第２合わせ目
Ｏ 軸線
Ｗ 油剤

【図1】

【図2】

【図3】